CN111274747A - 运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法 - Google Patents

Abstract

运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，该方法适用于核动力系统的大型换热设备在受到一定外力而产生不同形式的运动工况下的三维数值计算模型的建立；该三维数值计算模型主要是在静止运行下管壳式换热器三维热工水力数值计算模型基础上，根据不同运动条件下的运动形式及受力特点，分别通过对处于复合运动条件下的管壳式换热器进行运动分解、单一运动的受力分析及分解、单一运动下作用于动量方程的附加力源项的建立、复合运动附加力源项合成过程，最终建立一套能够准确描述复合运动条件下核动力系统管壳式换热器热工水力特性的数值计算模型。

Description

运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法

技术领域

本发明涉及到一种描述不同运动条件下核动力系统管壳式换热器的数值计算模型技术领域，具体涉及一种能够对在三维六自由度下运动条件运行的核动力系统管壳式换热器的热工水力运行特性进行计算的数值模型建立方法。

背景技术

核动力系统尤其是小型核动力系统由于其体积小、能量密度高、稳定性及可靠性高等特点越来越多地被应用到各种工况下。典型的海上浮动核动力系统站以及小型化移动核动力系统设备在其设计过程中应该充分考虑海上风浪以及运载形式对其内部核动力系统的影响，其次由于自然灾害地震、海啸或人为外力撞击条件均可能对传统核动力系统的正常运行产生不可逆的后果。为了充分保证核动力系统在特定运行工况下的安全特性，对其进行受力条件下的三维数值计算模拟十分必要。

管壳式换热器一般作为核动力系统一回路与二回路的传热边界，同时也是一回路压力边界，其运行状态关乎反应堆能量能否顺利导出，是核动力系统中最为关键的安全性设备之一。据调研，管壳式换热器在不同运动条件下所表现出的两侧压降特性及流动换热特性均会受到运动条件的影响。由于管壳式换热器一般为管束型换热设备，因此其二次侧流动换热系数必然受到运动状态如倾角、转速、加速度的影响。

在对管壳式换热器设计阶段，需要考虑到极端运动条件下其运行状态，并对其及反应堆系统安全性进行评估。因此对管壳式换热器开展不同运动条件下的数值计算模型建立对核动力系统的可靠性及安全性均具有重要意义。其次，由于近年来计算流体动力学方法在计算维度、计算精度、可视化、操作简便性等特点在核动力系统数值计算中被广泛应用，相比一维计算，能够给出运动条件下管壳式换热器内部不同位置的目前国内外有众多学者对运动条件的模型进行了一定程度的研究，一般对运动进行简化的方法主要有附加力添加及坐标系旋转方法。

国内外研究

近年来，随着我国海洋强国以及海上丝绸之路政策的推进，对海上资源的开发已经成为我国最重要的发展战略之一。核能作为清洁、高效、能量密度高的能源之一，能够充分保证海上工业平台的能源需求，是我国解决海洋能源供应问题的最佳途径。基于这种高需求，近年来小型化反应堆系统被广泛研究，其中应用于海洋平台的反应堆系统在设计初期不得不考虑复杂海洋条件对反应堆系统产生的影响。

海洋中的海浪会导致反应堆系统产生一系列自由运动，严重影响反应堆系统热工参数状态。在任何一个没有外力约束物体的条件下，该物体在空间内均具有6个方向的自由度，这6个自由度分别是绕三个坐标轴开展平移以及旋转运动，如图给出了典型6自由度运动示意图。核动力系统由于自身或承载其基座受到一定外力而产生运动，一般情况下该运动均为多种单一运动的叠加结果。

一般海洋条件下的单一运动类型分别包括绕定轴以一定周期摇摆、沿某方向倾斜任一角度、沿任意直线进行加速或平移运动。实际海洋运动条件下物体所产生的运动均可看作以上三种运动以一定组合进行叠加作用的结果。近年来，国内外学者对一定运动条件下对反应堆各关键设备运行参数的影响进行了大量研究。

哈尔滨工程大学在海洋运动条件数值计算研究方面具有较深的基础。王冰基于RELAP5系统程序采用海洋条件下附加力模型开发了非惯性系下的适用于海洋条件下的核反应堆热工水力计算程序，并采用该程序对一体化反应堆IP200的自然循环特性进行了影响。研究结果表明倾斜运动会导致反应堆环路流量减小、流量分配发生偏移，摇摆周期、摇摆幅度均能够改变驱动压头或附加力压降进而影响自然循环的流量波动，在较大起伏幅度下，堆芯自然循环的稳定性会受到破坏。

中国核动力研究设计院的王江文等人对海洋条件下的窄矩形通道内自然循环流动阻力特性进行了相关实验研究。实验结果表明，相较于对层流阻力系数的影响，对摇摆条件对湍流摩擦阻力系数影响较大。基于实验数据拟合出了对应通道内的阻力计算公式，计算公式中考虑到了摇摆振幅、频率、加热功率水平对层流向湍流转捩点的综合判断方法。

何川基于惯性坐标系与非惯性坐标系并采用，给出海洋条件下计算模型建立的旋转坐标矩阵，确定了非惯性系中的动量守恒方程。实验与RELAP5理论结合方法分析了海洋运动条件下多自然循环回路的耦合瞬态响应特性。

文静基于MATLAB平台，开发了适用于海洋条件下的非能动余热排出系统热工水里分析程序，结果表明摇摆会引起回路冷热管的高度差，引入附加惯性力，导致回路流量计水温的周期性波动。非能动余热排出系统的性能受摇摆周期、频率、幅值等运动参数的影响。

Sipeng Wang等人采用附加力源项方法对海洋条件工况下的自然循环密度波不稳定性进行了相关研究，获得了摇摆以及起伏条件下自然循环参数并于正常工况结果进行了对比。结果显示最大摇摆角度、摇摆周期、摇摆轴位置、最大角速度、起伏周期等参数均对自然循环不稳定性有较大影响。

Lie Wei等人基于RELAP5以及FLUENT商用程序对海洋条件下的自然循环单向流动进行研究。计算过程中将RELAP5与FLUENT程序耦合，并分别修正两个程序中的动量方程使之适用于海洋条件工况的计算。倾斜工况计算结果显示对称相反方向的倾斜对水平管道流量影响不同。

B.H.Yan 2016年对海洋条件对反应堆系统热工水利影响方面的相关研究进行总结，充分阐述了不同海洋条件对不同形状流道内的单向流、两相流的流动换热特性、两相气泡动力学、流动不稳定性等方面的影响。

Pan Wu等人开发了适用于海洋条件工况计算的子通道计算程序。基于原有的子通道程序ATHAS，考虑起伏及摇摆海洋条件对动量方程的影响开发改进版子通道程序ATHAS/OE。并通过现有程序COBRA-IV之间的计算对比验证了程序的适用性，计算结果表明海洋条件对堆芯热工水里特性有显著影响。

Ren Li等人在RELAP5程序基础上对考虑倾斜对动量方程的影响对一定倾斜角度条件对自然循环特性影响进行了相关研究，研究结果表明一定小角度倾斜并不会对反应堆安全造成影响。

Byoung Jae Kim等人针对运动条件下的两相流动现象开发了二维两流体方程，并对模型结果进行验证，模型考虑了质量力、内能的变化，但流体焓值保持静止状态下的参数。Hee-Kwan Beom等人也采用了附加加速度以及附加力来mooning海洋动力条件对反应堆热工水利参数的影响。成功在MARS程序基础上添加了海洋条件计算模块。

综上所述，国内外学者在关于海洋条件对反应堆系统运行特性、安全特性方面均做了较为深入的研究，大部分学者采用的为在惯性系中添加附加力体现其非惯性系下运动特性。但大部分均只考虑海洋条件对流动动量方程的影响，在对流及传热耦合计算方面还需要更进一步研究，其次，针对海洋条件下的管壳式换热器性能研究较少。本发明基于运动分解、阻力分解、阻力合成、换热系数因子引入等方面给出了一种能够全面考虑海洋运动条件对反应堆管壳式换热器流动及对流换热特性影响的数值模型建立方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，本发明采用运动分解方法对实际运行条件的复合运动过程进行分解，主要将其分解为各单一运动如定轴摇摆、倾斜及变加速运动的组合。然后对各单一运动再分别进行受力分析及受力分解，最终将各单一运动条件的受力进行矢量合成，获得复合运动条件下的管壳式换热器受力分析结果。其次考虑复合运动条件对管壳式换热器一、二次侧流动换热系数的影响，通过引入不同运动条件下的对流换热权重影响因子来考虑运动条件对管壳式换热器一、二次侧流动换热系数的影响。

通过对复合运动条件进行运动分解、单一运动的受力分析及受力分解、复合运动的受力合成以及运动条件对两侧对流换热系数的修正，从而全面考虑运动条件对管壳式换热器的流动及换热特性的影响。本发明一方面能够使建立的数值计算模型更加符合真实工况需求，另一方面能够更加全面考虑其对流动换热的影响，使模型具有更高的计算精度。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案：

运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，其特征在于：包括静止条件下的管壳式换热器数值计算模型建立、复合运动的分解、单一运动受力分解及附加力源项的建立、复合运动下附加力源项的合成、不同运动形式下的换热系数影响因子确定、模型计算节点数量确定；

具体步骤如下：

步骤1：根据核动力系统管壳式换热器几何结构特点，对其进行适用于计算流体动力学程序使用的管壳式换热器三维几何模型建立，要求三维几何模型分别包括管壳式换热器两侧冷却剂流域；为了在提高模拟结果精度的同时尽量减小建模过程的工作量，该步骤根据对核动力系统管壳式换热器的传热管的具体数量以及传热管结构的复杂性判断是否采用多孔介质方法对传热管束进行几何简化；

步骤2：对建好的管壳式换热器三维几何模型，根据结构特点对其进行数值计算节点划分，保证数值求解结果精确、耗散低、收敛性高；

在划分过程中需注意若管壳式换热器三维几何模型未采用多孔介质方法对几何进行简化，则需考虑壁面函数对距壁面第一层节点高度的要求，严格控制节点划分数目及质量，若采用多孔介质方法对管束几何进行了简化，则需要根据多孔介质模型的特点对该简化部分进行计算节点划分，计算节点尺寸大小需要满足多孔介质方法假设限制；最终经过初始条件以及边界条件的设置，即获得适用于静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型；

步骤3：根据实际管壳式换热器的运动工况，将复杂复合运动逐一分解为几种典型单一运动，典型的单一运动包括水平或垂直加速运动、绕定轴倾斜运动、绕定轴摇摆运动三种，运动分解结果将为这三种单一运动的任意组合；

步骤4：分析各单一运动条件下管壳式换热器的受力特点，对所受惯性力、科氏力、重力、离心力在笛卡尔坐标系下分别开展受力分解；在受力分析结果的基础上，对各单一运动分别建立不同坐标方向上的附加力源项计算模型；

步骤5：基于运动条件下管束内以及管束外单相流及两相流的流动换热模型，确立各单一运动对管壳式换热器两侧流动换热系数的影响因子，结合管壳式换热器运动分解结果确定复合运动条件下管壳式换热器两侧的总换热系数，该换热系数为不同单一运动下换热系数加权平均，该步骤能够充分考虑不同运动条件对换热系数的影响；

步骤6：分别将步骤4获得的各单一运动下的附加力源项添加至管壳式换热器一次侧及二次侧每个计算节点的动量离散方程中，以此体现运动附加力对管壳式换热器管内及管外流动阻力的影响。将步骤5获得的复合运动条件下的换热系数引入静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型，修正其一、二次侧流动换热系数计算模型；

通过以上步骤即获得适用于复合运动条件下的管壳式换热器三维热工水力数值计算模型，最后将通过计算节点对计算结果的影响来最终确定既不会影响计算精度又能够尽可能提高计算效率的最佳计算节点数量。

本发明中管壳式换热器在运动条件下的管壳式换热器数值计算模型建立方法中引入了复合运动分解、单一运动分解、力的合成、运动条件下的换热系数权重因子的引入等步骤，建立起能够对复杂运动条件进行充分考虑的三维热工水力数值计算模型，从而能够在惯性坐标系下考虑摇摆、起伏、倾斜、平移等运动对管壳式换热器两侧的流动换热特性及两侧能量交换的影响。

本发明给出三维数值模型建立流程，具体可以按照管壳式换热器的实际情况选择最优的节点划分方式、离散格式、以及不同精度的数值求解方法。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明中考虑了不同运动条件对一次侧以及二次侧冷却剂流动阻力特性的影响，引入附加力模型考虑外力对管壳式换热器的影响；

2、考虑了运动条件对管壳式换热器一、二次侧换热系数的影响；

3、本发明方法不限制与管内外流体类型以及状态，该模型建立方法能够推广到大型管壳式管壳式换热器，该耦合方法的通用性较广；

4、模型独立，方法创新，可根据计算精度要求选择不同计算程序、不同的空间离散方法以及不同类型的求解器；

5、能够简化对管壳式换热器众多传热管进行一一建模带来的巨大工作量。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为六自由度运动模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步详细描述

如图1所示，本发明运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，具体步骤如下：

步骤1：根据核动力系统管壳式换热器几何结构特点，根据已有三维几何建模技术对其进行适用于计算流体动力学程序使用的管壳式换热器三维几何模型建立，：

核动力系统厂为了管壳式换热器最大程度上获得较大的换热面积，一般在一、二次侧之间会布置数目较多的传热管，且传热管管壁尺寸一般较小(1毫米左右)，宏观上看来，核动力系统管壳式换热器传热管管的尺寸(毫米量级)与管壳式换热器的外观尺寸(米量级)量级差别较大，若直接对传热管进行几何模型建立，势必会在节点划分方面带来较大的空间尺度之间的差异。几何建模、节点划分、计算过程均会占用较多的时间资源。因此，第一步即需要结合预计模型建立时间、计算资源、传热管数目等因素综合判断是否需要进行几何简化过程。

若传热管数量过多对几何模型建立及计算节点划分带来较大挑战，则需根据传热管结构特点对几何进行简化，主要是基于多孔介质模型针对其换热区域传热管束特点对管壳式换热器进行几何简化及几何模型的建立，该几何简化方法在已申请发明专利《一种核动力系统厂U型管自然循环管壳式换热器的一回路传热管堵管工况模型建立方法》中给出了详细介绍。即将所有传热管束所组成的外部轮廓作为简化后几何的外轮廓，而不考虑内部复杂的传热管束几何，将这部分看作是一种流体固体打混的均匀多孔介质进行几何模型建立，从而能够有效简化几何模型建立过程以及有效减小后续的计算节点划分、计算求解所需要消耗的时间资源。对于真实存在的管束几何对一、二次侧流动阻力的影响，则通过后续修正两侧的动量守恒方程来考虑该影响。若不需要简化则按照管壳式换热器结构进行1：1实体几何模型建立。

步骤2：根据建好的管壳式换热器三维几何模型，根据结构特点对其进行数值计算节点划分。

接下来将针对所建立的管壳式换热器三维几何模型进行计算节点划分，主要根据其几何拓扑结构之间的对应关系，采用已有结构化节点划分技术对几何进行计算节点划分，在划分过程中需要注意若管壳式换热器三维几何模型未采用多孔介质方法对几何进行简化，则需考虑壁面函数对距壁面第一层节点高度的要求，，严格控制节点划分数目及质量，若采用了多孔介质方法对几何进行了简化，则需要根据多孔介质的定义对该简化部分进行计算节点划分，计算节点尺寸大小需要满足多孔介质方法假设限制。最终经过初始条件以及边界条件的设置，即获得适用于静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型。

步骤3：根据实际管壳式换热器的运动工况，将核动力系统在实际运动运行条件下产生的复合运动逐一分解为单一运动。

真实情况下，管壳式换热器受到环境外力而发生运动，由于考虑到外部环境因素的复杂性以及管壳式换热器固定约束方式的不同，管壳式换热器的运动形式大部分为较为复杂的复合运动。若直接对复合运动进行数学模型建立，会大大增加模型建立的难点。针对该问题，本发明首先采用运动分解方法对管壳式换热器产生的复合运动进行分解。

反应堆系统在地震、海啸或者海洋条件的外力作用下会产生一系列自由运动，在任何一个没有外力约束物体的条件下，该物体在空间内均具有6个方向的自由度，这6个自由度分别是绕三个坐标轴开展平移以及旋转运动。一般情况下将运动条件主要分为以下几类：平移、旋转、起伏、倾斜，任何一种复杂运动均可以由这几种单一运动组成，因此在本发明中首先采用运动分解方法对复合运动进行分解。

图2给出了各种典型单一运动示意图，每张图代表了一种简单的运动，实际运动由这几种运动自由组合。这里将反方向对运动进行分解。分解方法将先同时根据受力以及运动形式，若有旋转运动，则先寻找旋转轴及其绕轴旋转的旋转角速度以及偏角大小；若发生平移运动，则判断平移方向是否受力，是否存在加速度；若仅为倾斜运动，则判断倾斜偏角以及倾斜参考平面。根据以上方法对复合运动进行分解。需要注意此处运动分解过程与最终的运动合成过程为互逆的。

运动分解结果如下：

m_total＝a_tilt*m_tilt+b_rot*m_rot+c_translation*m_translation+d_undelate*m_undelate

其中m代表运动形式，右边四项分别代表倾斜、摇摆、平移、起伏运动，加权系数a_tilt，b_rot，c_translation，d_undelate均大于等于0。

步骤4：分析各单一运动条件下管壳式换热器的受力特点，对所受科氏力、重力、离心力在笛卡尔坐标系下分别开展受力分解，根据受力分析，建立单一运动条件下的附加力源项。

本发明中将单一运动简单分为：平移、起伏、摇摆以及倾斜运动，为了在惯性坐标系下考虑不同类型的运动对管壳式换热器一、二次侧冷却剂的流动换热特性的影响，采用修正一次侧及二次侧动量方程及流动换热系数的方法解决。通过在动量方程中添加导致该运动的附加力引起的动量源项，以及修正能量方程中用于计算一、二次侧流动换热系数计算模型，综合考虑运动条件对管壳式换热器热工性能带来的影响。下面将分别给出各单一运动条件下的附加力计算方法。

以下附加力模型中均采用假设重力矢量为(0，0，-g₀)，其中坐标系三个方向矢量方向分别为i，j，k。

1.平移运动：

平移运动是指管壳式换热器在某特定方向上受到一定力的作用而产生的相对一个方向的平移运动，该处的平移运动与起伏运动区分开来，而起伏运动一种特殊的平移运动，其受力方向为垂直于重力方向。由于在海洋运动条件下起伏是一种典型的运动形式，因此将其分开介绍。

1.平移运动

假设管壳式换热器受到外力作用，沿某个方向产生一定的匀速运动或加速运动。下面给出任意方向上的加速度a(t)：

a(t)＝a_x(t)i+a_y(t)j+a_z(t)k

则根据加速度与力之间的关系可以获得在平移运动条件下的附加力：

2.起伏运动

此处提到的起伏运动是适用于海洋工况下的特定运动，该运动的特点是仅在重力方向上受到持续或周期变化的力而产生的垂直方向上的单方向或周期性运动，该运动是平移运动的一种特殊情况。

则该条件下管壳式换热器的加速度如下：

a(t)＝a_z(t)k

对应引起的附加力如下：

3.绕定轴摇摆运动

这里假设摇摆运动已经处于稳态阶段，摇摆速度均匀，摇摆幅值为A，t_rot为摇摆时间，T为摇摆周期，则正弦摇摆角θ_rot为：

求解摇摆角对时间的倒数即可获得角速度ω_rot为：

再对角速度求其对时间的倒数即可获得角加速度β_rot如下:

上面给出摇摆角加速度的计算方法，这里假设管壳式换热器是绕垂直方向的z轴摇摆的且摇摆基于原点，则通过对摇摆角速度、摇摆角加速度、相对速度之间的关系进行推导，可以获得其绕z轴摇摆的附加力如下：

其中x，y，z分别为管壳式换热器内任意计算节点坐标位置，v为管壳式换热器的运动速度。

以上给出了管壳式换热器绕定轴z进行摇摆运动工况下的附加力计算模型，同理可以推到至x轴或y轴，当摇摆并不绕坐标系轴，则只需将其进行坐标位置转变即可。

4.倾斜工况

在某种情况下，外力并不是持续性作用在管壳式换热器上，如管壳式换热器受到地震短时间外力作用后，可能会保持在一定非正常位置的状态如倾斜一定角度。管壳式换热器位置的改变同样会影响其热工水力参数状态。将给管壳式换热器沿某个方向倾斜一定角度时，对应的附加力模型。

假设管壳式换热器绕对其热工水力特性影响最大的y轴倾斜，且倾斜角度为定值θ_tilt，对其进行受力分解，可以获得其附加力计算模型如下：

以上给出四种单一运动工况的附加力计算模型。在实际对管壳式换热器的运动工况下计算模型建立过程中还可以在该单一运动模型的基础上根据具体运动情况对其进行旋转轴或倾斜轴的修正。

由于在步骤3中将复合运动分解为若干单一运动的组合，而在本步骤中也给出了不同单一运动条件下的附加力源项计算方法，最终，将各种运动条件引起的附加力源项进行矢量求和，最终获得复合运动条件下管壳式换热器的附加力源项计算模型。

步骤5：基于目前国内外已开展的运动条件下管束内以及管束外单相流及两相流的流动换热模型，确立各单一运动对管壳式换热器两侧流动换热系数的影响因子，结合管壳式换热器运动分解结果确定复合运动条件下管壳式换热器两侧的总换热系数。

经过调研可知，不同运动对自然循环型管壳式换热器的冷热源高度差影响明显，且不同运动状态下管束间一次测及二次侧的流动换热系数会发生不同改变，在模型建立时运动条件必须考虑该方面的影响。

首先根据调研获得不同单一运动条件下的管束内外流动的对流换热系数，这里假设在倾斜、摇摆、平移、起伏运动条件下的一次测对流换热系数分别为：h_1,tilt，h_1,rot，h_{1,translation}，h_1,undelate；对应的二次侧对流换热系数分别为：h_2,tilt，h_2,rot，h_{2,translation}，h_2,undelate。模型建立过程中，需要根据所算管壳式换热器类型以及管束尺寸，通过调研或实验获得该参数。

在步骤3中，将复合运动分解为任意组合的单一运动，为了体现不同运动对整体换热系数的影响，这里引入运动权重因子q来表示四类不同运动在整体运动中所占的比例。该权重因子则根据运动分解情况以及每种单一运动对对流换热系数的影响大小而决定。假设一、二次侧对应权重因子分别为：q_1,tilt，q_1,rot，q_{1,translation}，q_1,undelate；q_2,tilt，q_2,rot，q_{2,translation}，q_2,undelate。

其中

q_1,tilt+q_1,rot+q_{1,translation}+q_1,undelate＝1

q_2,tilt+q_2,rot+q_{2,translation}+q_2,undelate＝1

则在运动条件下管壳式换热器一次侧及二次侧对流换热系数为：

h₁＝a_1,tilt*q_1,tilt*h_1,tilt+b_1,rot*q_1,rot*h_1,rot+c_{1,translation}*q_{1,translation}*h_{1,translation}+d_1,tilt*q_1,undelate*h_1,undelate

h₂＝a_2,tilt*q_2,tilt*h_2,tilt+b_2,rot*q_2,rot*h_2,rot+c_2,tilt*q_{2,translation}*h_{2,translation}+d_2,tilt*q_2,undelate*h_2,undelate

其中a_1,tilt，b_1,rot，c_{1,translation}，d_1,undelate；a_2,tilt，b_2,rot，c_{2,translation}，d_2,undelate分别考虑了复合运动中管侧及壳侧各单一运动的加权因子。在管壳式换热器运动计算模型建立过程中最终采用以上方法获得的一次侧以及二次侧的新对流换热系数，替换原有静止条件下的对流换热系数，从而充分考虑不同运动条件对管壳式换热器换热特性的影响。

步骤6：分别将步骤4获得的各单一运动下的附加力推导出的附加力源项添加至管壳式换热器一次侧及二次侧每个计算节点的动量离散方程中，以此体现运动附加力对管壳式换热器流动阻力的影响。将步骤5获得的运动条件下的换热系数引入静止条件下的管壳式换热器计算模型，修正其一、二次侧流动换热系数计算模型。

根据步骤1-5即可获得运动条件下的管壳式换热器三维热工水力数值计算模型，最后一步可以将其带入商用计算程序中对其进行求解，要注意附加力源项需要被分别添加至一、二次侧每个计算节点的动量离散方程中。根据初步计算结果寻找计算节点划分数量最佳值，获得经济性好，计算效率高的管壳式换热器计算模型。

图1给出了使用于运动条件下的管壳式换热器三维数值计算模型计算方法，本发明中给出的适用于管壳式换热器在运动条件下的三维热工水力数值计算模型，是在已有公开专利中给出的静止条件下的管壳式换热器三维数值计算模型的基础上，通过添加运动条件下的附加力模块以及一、二次侧流动换热修正计算模块最终获得不同运动工况下的管壳式换热器热工水力数值计算模型。从图1中可以看出本发明提出的模型建立方法主要包括一下几个部分：1.几何简化及静止条件下三维数值计算模型建立；2.复合运动条件的运动分解；3.各单一运动条件下力的分解以及对应附加力源项建立；4.不同运动工况下附加力源项的合成；5.运动条件下换热模型修正；6.求解计算模型，迭代出收敛解，计算网格量敏感性分析。

其中几何简化部分视具体情况而定，若管壳式换热器传热管数量较多，为了避免对其进行实体几何建模带来的较大工作量以及较高计算资源需求，采用多孔介质方法对管束区域进行几何简化，具体简化方法在步骤1中有详细介绍。

静止条件下的三维几何模型建立主要包括如下几部分内容：几何简化、一次侧及二次侧三维几何模型建立、两侧计算节点划分、两侧流动阻力模型添加，如涉及到多孔介质简化也需要添加对应对多孔介质方法引起的附加力源项，冷却剂流经管束内外的流动换热计算模型添加、计算节点数量敏感度分析。本发明重点在运动条件的引入，对于静止条件下的模型建立方法不再做过多介绍。

其中运动分解获得的单一运动条件下的附加力计算方法在发明内容部分的步骤4中有详细介绍，这里需要注意的是运动分解过程与最终的附加力合成需遵循相同的矢量合成法则，从而保证运动条件的真实性。图2给出了典型运动条件下定义的单一运动形式，可以看出本发明中将其分为平移、摇摆、起伏以及倾斜运动，运动分解过程以及最终附加力组合过程均根据此图进行。

本发明不仅考虑了运动条件的引入对管壳式换热器一次侧及二次侧的流动过程的影响，还考虑了不同运动形式对两侧流动换热系数的影响，流动换热系数修正模型在发明内容部分的步骤5中有详细介绍。

通过将该计算模型引入商业数值计算程序，选择合适的初始条件、边界条件以及最优求解器，最终能够分别获得在运动条件下的核动力系统管壳式换热器的管侧及壳侧热工水力参数三维分布情况。运动条件在管壳式换热器计算模型中引入接口灵活，方便与静止条件下的计算结果进行对比，分析运动条件的引入对管壳式换热器运行性能的影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，其特征在于：包括静止条件下的管壳式换热器数值计算模型建立、复合运动的分解、单一运动受力分解及附加力源项的建立、复合运动下附加力源项的合成、不同运动形式下的换热系数影响因子确定、模型计算节点数量确定；

具体步骤如下：

步骤1：根据核动力系统管壳式换热器几何结构特点，对其进行适用于计算流体动力学程序使用的管壳式换热器三维几何模型建立，要求三维几何模型分别包括管壳式换热器两侧冷却剂流域；为了在提高模拟结果精度的同时尽量减小建模过程的工作量，该步骤根据对核动力系统管壳式换热器的传热管的具体数量以及传热管结构的复杂性判断是否采用多孔介质方法对传热管束进行几何简化；

步骤2：对建好的管壳式换热器三维几何模型，根据结构特点对其进行数值计算节点划分，保证数值求解结果精确、耗散低、收敛性高；

在划分过程中需注意若管壳式换热器三维几何模型未采用多孔介质方法对几何进行简化，则需考虑壁面函数对距壁面第一层节点高度的要求，严格控制节点划分数目及质量，若采用多孔介质方法对管束几何进行了简化，则需要根据多孔介质模型的特点对该简化部分进行计算节点划分，计算节点尺寸大小需要满足多孔介质方法假设限制；最终经过初始条件以及边界条件的设置，即获得适用于静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型；

步骤3：根据实际管壳式换热器的运动工况，将复杂复合运动逐一分解为几种典型单一运动，典型的单一运动包括水平或垂直加速运动、绕定轴倾斜运动、绕定轴摇摆运动三种，运动分解结果将为这三种单一运动的任意组合；

步骤4：分析各单一运动条件下管壳式换热器的受力特点，对所受惯性力、科氏力、重力、离心力在笛卡尔坐标系下分别开展受力分解；在受力分析结果的基础上，对各单一运动分别建立不同坐标方向上的附加力源项计算模型；

步骤5：基于运动条件下管束内以及管束外单相流及两相流的流动换热模型，确立各单一运动对管壳式换热器两侧流动换热系数的影响因子，结合管壳式换热器运动分解结果确定复合运动条件下管壳式换热器两侧的总换热系数，该换热系数为不同单一运动下换热系数加权平均，该步骤能够充分考虑不同运动条件对换热系数的影响；

步骤6：分别将步骤4获得的各单一运动下的附加力源项添加至管壳式换热器一次侧及二次侧每个计算节点的动量离散方程中，以此体现运动附加力对管壳式换热器管内及管外流动阻力的影响。将步骤5获得的复合运动条件下的换热系数引入静止条件下管壳式换热器的三维热工水力数值计算模型，修正其一、二次侧流动换热系数计算模型；

通过以上步骤即获得适用于复合运动条件下的管壳式换热器三维热工水力数值计算模型，最后将通过计算节点对计算结果的影响来最终确定既不会影响计算精度又能够尽可能提高计算效率的最佳计算节点数量。

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